«Методическое пособие для самостоятельной работы студентов на уроках по предмету Биология и основы экологии для студентов СПО по специальностям 190701 Организация перевозок и управление на железнодорожном транспорте ...»

Министерство образования и науки РФ

Управление образования и науки Тамбовской области

ТОГБОУ СПО «Политехнический колледж»

Методическое пособие

для самостоятельной работы студентов на уроках

по предмету Биология и основы экологии

для студентов СПО по специальностям

190701 Организация перевозок и управление на железнодорожном транспорте

190631 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта для обучающихся НПО по профессиям 151022.01 Электромонтр по торговому и холодильному оборудованию 190623.01 Машинист локомотива 190631.01 Автомеханик 210502 Оператор связи Преподаватель 1 категории по дисциплинам химия и биология Уваров Алексей Николаевич Тамбов Пояснительная записка Данная работа предназначена для проведения самостоятельной работы студентов во время уроков Биологии и основ экологии, а также содержит дополнительный материал к урокам по основным разделам дисциплины.

Теоретический материал освещает основные темы курса, дат примерный план ответа на вопросы и соответствует требованиям Госстандарта к уровню подготовки выпускника среднего (полного) образования по предмету.

Примером самостоятельной работы с использованием данной методички могут быть задания дифференцированного уровня… 1. Базовый или репродуктивный уровень.

Прочитать материал и составить конспект 2. Продуктивный уровень.

Прочитать текст и составить 15 – 20 вопросов с правильным вариантом ответа Пример.

Что такое биология?

- Биология это наука изучающая живые организмы, их происхождение и взаимосвязи.

3. Творческий уровень.

Прочитать текст и составить 15 – 20 вопросов в тестовой форме Пример.

Что такое биология?

a) Это наука изучающая живые организмы, их происхождение и взаимосвязи.

b) Это наука о живом и мртвом.

c) Это наука о здоровье.

На выполнения задания отводится часть урока или задание датся на дом. В последствии группа разбивается на части и устраивается самоконтроль и взаимоконтроль усвоения материала.

Урок 1 - 4.

Общая биология – дисциплина, изучающая основные закономерности возникновения и развития жизни на земле

ВВЕДЕНИЕ

Открываемые и изучаемые биологией закономерности – важная составная часть современного естествознания. Они служат основой медицины, сельскохозяйственных наук, лесного хозяйства, звероводства, охотничьего и рыбного хозяйства.

Использование человеком богатств органического мира строится на принципах, вскрываемых биологией. Данные биологии, относящиеся к ископаемым организмам, имеют значение для геологии. Многие биологические принципы применяют в технике. Использование атомной энергии, а также космические исследования потребовали создания и усиленного развития радиобиологии и космической биологии.

Только на основе биологических исследований возможно решение одной из самых грандиозных задач, вставших перед человечеством, – планомерной реконструкции биосферы Земли с целью создания оптимальных условий для жизни увеличивающегося населения планеты.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК

Многоплановость системы биологических наук объясняется многообразием проявлений жизни и разнообразием форм и методов исследования живых объектов. Одними из первых в биологии сложились науки: о животных – зоология и растениях – ботаника, а также анатомия и физиология человека – основа медицины.

Крупными разделами биологии являются: микробиология – наука о микроорганизмах и гидробиология – наука об организмах, населяющих водную среду. В пределах крупных разделов биологии сформировались более узкие дисциплины.

Существует также классификация биологических дисциплин по исследуемым свойствам и проявлениям живого. Форму и строение организмов изучают морфологические дисциплины; образ жизни животных и растений и их взаимоотношения с условиями внешней среды – экология; различные функции живых существ изучает физиология животных и физиология растений; предметом генетики является изучение закономерностей наследственности и изменчивости. Каждая из этих крупных дисциплин, в свою очередь, делится на ряд более частных.

По изучаемому структурному уровню живого различают молекулярную биологию, затем учение о клетке, или цитологию, учение о тканях, или гистологию, учение об органах, или органологию.

По преобладающим методам различают описательную (например, морфологию), экспериментальную (например, физиологию) и теоретическую биологию.

2. СВЯЗЬ БИОЛОГИИ С СОСЕДНИМИ НАУКАМИ

В самых разных областях биологии (в таксономии, морфологии, физиологии, генетике и др.) все возрастает значение пограничных дисциплин, связывающих биологию с соседними науками – биохимией и биофизикой.

А) Биохимия Биологическая химия, или биохимия, называемая также физиологической химией, изучает химический состав организмов и химические превращения, происходящие в процессе жизнедеятельности человека, животных, растений и микроорганизмов. Совокупность этих превращений составляет биологический обмен веществ, лежащий в основе формы движения материи, называемой жизнью.

Уже со времен глубокой древности люди были знакомы со многими биохимическими процессами, лежащими в основе различных производств: хлебопечении, сыроварении, виноделии, выделке кож и т.

д. Стремление повысить урожайность полей и использовать различные растения для изготовления пищи, лекарств, красок, тканей, пряностей приводило к необходимости изучать составные части растений и влияние различных веществ на их развитие и рост. Борьба с болезнями приводила к необходимости изучать процессы, происходящие в теле здорового и больного человека, а также влияние на него различных целебных средств.

В древности и Средневековье сведения о составе организмов и о происходящих в них процессах были весьма ограничены. В Средние века начинается применение химических методов к изучению растений, животных и человека. Со второй половины ХV в., с эпохи Возрождения, на основе развития экспериментальной химии начинается изучение химического состава организмов и происходящих в них превращений веществ. Открытие в 1748 г. М. В. Ломоносовым закона сохранения веществ и движения явилось началом новой эры в науке, началом внедрения точных количественных методов в естествознании вообще и в химии и физиологии в частности.

Дальнейшее внедрение химии в биологию привело в конце XIX в. к обособлению и развитию биологической химии как самостоятельной научной дисциплины. Она развивалась на основе успехов органической химии, расширения круга изучаемых ею природных веществ и усовершенствования методов синтеза органических соединений. Само название – биологическая, или физиологическая химия – отражает специфику этой науки. Поскольку в основе всех проявлений жизнедеятельности, всех функций организма лежит обмен веществ, биохимия – один из важнейших разделов науки о жизни – биологии. Как по своему историческому развитию, так и по существу своего содержания и применяемых методов, биологическая химия теснейшим образом связана с физиологией – наукой, изучающей закономерности явлений жизни.

Биохимия изучает отдельные этапы процессов обмена веществ, их взаимосвязь и взаимообусловленность, физиологическую роль отдельных веществ в жизни организмов, процесс биосинтеза сложного органического вещества из простейших веществ, а также биохимические превращения растительных и животных остатков (образование илов, торфа, минерализацию органических остатков).

Крупнейшей проблемой современной биохимии является вопрос о связи процессов обмена веществ с теми или иными физиологическими функциями организма. Исследование биохимических превращений в организме должно быть неразрывно связано с выяснением условий, при которых возникает и развивается та или иная физиологическая функция. Это направление в современной биохимии получило название функциональной биохимии.

Развитие органического мира, наследственность, изменчивость, образование новых видов – все эти основные проблемы биологической науки могут быть изучены и подчинены воле человека только на основе глубоких биохимических исследований, выяснения закономерностей обмена веществ и сдвигов, происходящих в нем под влиянием внутренних условий и условий внешней среды.

В процессе развития науки острая борьба развертывалась в свое время вокруг вопроса о возможности синтеза различных органических соединений чисто химическими методами. Идеалисты утверждали, что подобные соединения могут быть синтезированы только в организмах животных и растений.

Однако вскоре химики синтезировали вне организма многие соединения, играющие важную роль в обмене веществ, такие, как сахара, мочевина, жиры и др. Основой для синтезов подобного рода послужила теория органических соединений, созданная великим русским химиком Бутлеровым. На этой основе было синтезировано множество самых разнообразных соединений, начиная с простейших спиртов, кислот, эфиров и т. п. и кончая такими, как углеводы, витамины, минеральные вещества и др.

Химики-органики и биохимики осуществили полный химический синтез одного из простейших белков – инсулина – гормона, выделяемого поджелудочной железой человека и животных, а также фермента рибонуклеоды и нуклеиновых кислот. Замечательные успехи были достигнуты за последние годы в расшифровке структуры нуклеиновых кислот и роли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) как «вещества наследственности». Было установлено, что определенные участки молекулы ДНК содержат гены, в которых «записана» (закодирована) программа для синтеза в организме тех или иных белков и нуклеиновых кислот.

Вслед за американским химиком Г. Корана с сотрудниками, которые впервые синтезировали гены, кодирующие биосинтез некоторых рибонуклеиновых кислот, были осуществлены синтезы различных генов. Так, например, произведен химический синтез гена, кодирующего биосинтез такого важного белка, как интерферон, – белка, защищающего человека от вирусных инфекций и некоторых форм рака.

В результате всех этих исследований открываются исключительные перспективы для расшифровки молекулярных механизмов наследственности и применения результатов фундаментальных исследований в медицине, сельском хозяйстве и различных отраслях промышленности.

Биохимия имеет большое практическое значение для медицины, сельского хозяйства и ряда отраслей промышленности. Исключительно важная роль биохимических процессов во многих отраслях промышленности, занимающихся переработкой сырья растительного или животного происхождения, необходимость научного обоснования и усовершенствования технологии привели к созданию технической биохимии, включающей биохимию зерна и хлебопечения, виноделия, чайного производства и т. д.

Биохимия растений, изучающая химический состав растительных организмов и протекающие в них биохимические процессы, имеет большое значение для растениеводства и ряда отраслей пищевой промышленности. Ее значение для растениеводства заключается прежде всего в том, что изучение процессов обмена веществ у растений позволяет управлять развитием растительных организмов. Установление в растениях закономерностей синтеза углеводов, белков, жиров, витаминов, алкалоидов и других соединений дает возможность создавать для соответствующих сельскохозяйственных культур условия, обеспечивающие получение наибольшего количества данного вещества. Направленное изменение биохимическими методами обмена веществ приводит к созданию новых форм растительных организмов, наиболее ценных в хозяйственном отношении.

Селекция новых сортов многих растений целиком основана на применении биохимических методов, с помощью которых определяют содержание в данном сорте того или иного вещества: белка, сахара, масла, крахмала, витаминов и т. д. При этом особое значение имеет разработка новых, быстрых и вместе с тем достаточно точных экспресс-методов количественного определения в растительном сырье того или иного вещества.

Сложной и ответственной задачей, стоящей перед биохимией растений, является глубокое изучение обмена веществ у растений и отдельных их органов – семян, клубней и т. д., а также влияние на него различных факторов внешней среды. Это имеет большое значение для понимания тех процессов обмена веществ в хранящемся растительном сырье (зерне, плодах или овощах), от которых зависят стойкость данного сырья во время хранения и величина потерь. Велика роль биохимии в усовершенствовании технологических процессов пищевой промышленности и создании новых схем и принципов переработки пищевого сырья растительного происхождения.

В каждой из отраслей пищевой промышленности ведется большая исследовательская работа, в которой существенную роль играют биохимики. Благодаря глубоким биохимическим исследованиям ученых удалось весьма существенно рационализировать многие технологические процессы, а некоторые отрасли промышленности создать совершенно заново. В табачной промышленности в течение длительного времени ферментация табака производилась лишь в строго определенное время года, когда температурные условия позволяли осуществить этот важный процесс сырьевой обработки табака. Профессор А. И. Смирнов на основе глубокого изучения биохимических процессов, протекающих во время ферментации, а также условий, способствующих осуществлению этих процессов, разработал совершенно новый метод внесезонной ферментации табака.

Внесезонная ферментация дала табачной промышленности чрезвычайно большую экономию.

Примером важности биохимических исследований для усовершенствования технологических процессов в пищевой промышленности служат также работы в области биохимии чайного производства.

Была вскрыта сущность биохимических процессов, протекающих во время переработки чайного листа, и их влияние на качество готовой продукции. На основе этих исследований удалось усовершенствовать технологию чайного производства и внедрить на чайных фабриках систему биохимического контроля, дающую возможность получать чай более высокого качества. Не менее существенна роль биохимических процессов в таких отраслях пищевой промышленности, как мукомольная, хлебопекарная, витаминная, консервная, винодельческая, пивоваренная, спиртоводочная.

Витаминная промышленность – это отрасль, полностью основывающаяся на биохимии как в изыскании сырьевых ресурсов, так и в технологии, а также применении витаминов. В консервной промышленности весьма нежелательными являются некоторые биохимические процессы, приводящие к разрушению витаминов и ухудшению потребительских достоинств продукта. Ряд технологических приемов, применяемых при консервировании, направлен именно на предотвращение подобного рода процессов.

Чрезвычайно тесно связаны с биохимией все отрасли пищевой промышленности, основанные на использовании различных видов брожения. Весьма характерно, что ведущий цех современного завода шампанских вин носит название биохимического.

Следовательно, роль биохимии в ряде отраслей пищевой промышленности, занимающихся переработкой растительного сырья, весьма существенна.

Биология и математика – что может быть общего у этих столь различных областей знания? Математика – абстрактная наука о числах с ее интегралами, дифференциалами, матрицами и множествами, биология – наука о жизни во всем многообразии ее проявлений: от субклеточных и клеточных структур до популяций и биогеоценозов. Совершенно ясно, что специфика и многообразие живой природы таковы, что никакие математические построения отразить их не в состоянии.

Большинство ученых до начала XX в. считали, что между биологией и математикой лежит если не пропасть, то, по крайней мере, труднопреодолимая преграда. Правда, отдельные физики и математики делали попытки в этом направлении. Это и Леонардо да Винчи, рассмотревший в рамках еще зарождавшейся в XV-XVI вв. механики движение животных, и выдающийся математик XVIII в. Л. Эйлер, создавший математическую модель сердца. Более близки по времени к нам работы по физиологии зрения и слуха знаменитого физика XIX в. Г. Гельмгольца. Однако во всех этих случаях биологическая основа рассматривалась учеными лишь как повод для разработки новых математических методов. Но еще в XIX в. биология начала превращаться из науки наблюдательной в науку экспериментальную.

До середины XIX в. ученые-естествоиспытатели были, по сути дела, натуралистами. Своей основной задачей они считали наблюдение за живыми организмами, описание и систематизацию всего их многообразия. По мере решения этих задач биологи все глубже и интенсивнее вторгались в область эксперимента. В результате было накоплено большое количество фактов той степени точности и абстрактности, которая допускает применение математического аппарата. Первоначально биологи применяли в основном методы математической статистики для обработки результатов своих экспериментов.

Следствием этого было создание целого научного направления – биометрии. В дальнейшем биометрическое направление существенно преобразилось, что связано с более широким распространением методов многомерных статистик. Сейчас математическая статистика используется как средство, позволяющее корректно спланировать эксперимент и получить с наименьшими затратами труда и средств достоверную количественную информацию об изучаемом объекте. Теоретической основой для такого подхода стала новая отрасль статистики – теория планирования оптимального эксперимента.

И все же, хотя эта теория и позволяет получать количественные зависимости между изучаемыми явлениями, такие модели большей частью оказываются формальными и дают возможность скорее управлять процессами, чем познавать их механизмы. Более содержательны такие математические модели, которые отражают структуру и внутренние связи исследуемых процессов и явлений, раскрывают их движущие силы и законы функционирования.

Одним из первых приемов именно такого подхода к применению математики в биологии оказалась генетика. Уже работы основоположника этой науки Г. Менделя стали прекрасной иллюстрацией того, каким плодотворным может быть применение математических идей для проникновения в самую суть биологических явлений. Сформулированные на строгом математическом уровне, законы наследования Г. Менделя лежат в основе современной генетики, являющейся, пожалуй, наиболее математизированной из всех биологических дисциплин.

В ХХ в. началось бурное вторжение математических методов и идей в биологические исследования. На службу биологии «приняты» и алгебра, и теория вероятностей, и математическая статистика, и дифференциальное и интегральное исчисление, и теория конечных результатов. С полным основанием можно говорить о возникновении особой отрасли биологической науки – математической биологии.

Тесно и широко взаимодействует биология с сельскохозяйственными науками.

Человек, как гетеротрофный организм, неспособен усваивать солнечную энергию, поступающую на Землю. Необходимые для питания белки, жиры, углеводы, витамины человек получает в основном от культурных растений и прирученных животных. Знание законов генетики и селекции, а также физиологических особенностей культурных видов позволяет совершенствовать агротехнику и зоотехнику, выводить более продуктивные сорта растений и породы животных. Уровень знаний в области биогеографии и экологии определяет возможность и эффективность интродукции и акклиматизации полезных видов, борьбы с вредителями посевов, с паразитами сельскохозяйственных животных.

Биохимические исследования позволяют полнее использовать получаемые органические вещества растительного и животного происхождения. Разработка новых методов селекции, теории гетерозиса, получение организмов с заранее заданными свойствами, совершенствование методов биологической борьбы с вредителями, перевод лесного хозяйства, звероловства, промыслов (охоты, рыболовства) на научную основу – эти и многие другие задачи могут быть решены только при активном сотрудничестве биологов разных специальностей с практиками сельского хозяйства, лесного дела, охотоведами, звероводами и др.

Очень тесно биология связана и с медициной. Успехи и открытия биологии определили современный уровень медицинской науки. Дальнейший прогресс медицины также основан на развитии биологии. Представления о макро- и микроскопическом строении человеческого тела, о функциях его органов и клеток опираются на биологические исследования. Гистологию и физиологию человека, которые служат фундаментом медицинских дисциплин – патанатомии, патофизиологии и других, изучают как медики, так и биологи. Учение о причинах и распространении инфекционных болезней и принципах борьбы с ними основано на микробиологических и вирусологических исследованиях.

Представления о механизмах иммунитета, лежащего в основе сопротивляемости организма инфекциям, также опираются на биологические исследования. Особое значение для медицины играет исследование тканевой несовместимости – главного препятствия для пересадки органов и тканей. Подлинная революция в лечении инфекционных заболеваний, служивших в прошлом основной причиной смертности, связана с открытием антибиотиков. Использование в медицине веществ, выделяемых микроорганизмами для борьбы друг с другом, – крупнейшая заслуга биологии ХХ в. Массовое производство дешевых антибиотиков стало возможным лишь после выведения высокопродуктивных штаммов продуцентов антибиотиков, достигнутого методами современной генетики.

Над проблемой рака единым фронтом работают цитологи, эмбриологи, генетики, биохимики, иммунологи, вирусологи.

Генетика человека, в том числе медицинская генетика, изучающая наследственно обусловленные заболевания, становится сейчас важным объектом медико-биологических исследований. Уже поддаются точному диагнозу болезни, связанные с нарушением числа хромосом. Генетический анализ позволяет обнаруживать у человека вредные мутации. Борьба с ними ведется путем лечения и медикогенетических консультаций и рекомендаций. Все большее внимание привлекает проблема психического здоровья человечества, решение которой невозможно без глубокого естественно-исторического биологического анализа нервной деятельности, ведущего в психике. Выделение среди биологических дисциплин этологии – науки о поведении – существенно приближает решение этой сложнейшей и важнейшей проблемы.

3. УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

Для живой природы характерно сложное, иерархическое соподчинение уровней организации ее структур. Вся совокупность органического мира Земли вместе с окружающей средой образует биосферу, которая складывается из биогеоценозов – областей с характерными природными условиями, заселенными определенными комплексами (биоценозами) организмов. Биоценозы состоят из популяций – совокупностей животных и растительных организмов одного вида, живущих на одной территории. Популяция состоит из особей. Особи многоклеточных организмов состоят из органов и тканей, образованных различными клетками. Клетки, как и одноклеточные организмы, состоят из внутриклеточных структур, которые строятся из молекул. Для каждого из выделенных уровней характерны свои закономерности, связанные с различными масштабами явлений, принципами организации, особенностями взаимоотношения с выше- и нижележащими уровнями. Каждый из уровней организации жизни изучается соответствующими отраслями современной биологии.

На молекулярном уровне биохимией, биофизикой, молекулярной биологией, молекулярной генетикой, цитохимией, вирусологией, микробиологией изучаются физико-химические процессы, осуществляющиеся в живом организме. Исследования живых систем на этом уровне показывают, что они состоят из низко и высокомолекулярных органических соединений, практически не встречающихся в неживой природе. Наиболее специфичны для жизни такие биополимеры, как белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды, а также липиды (жироподобные соединения) и составные части их молекул (аминокислоты, нуклеотиды, простые углеводы, жирные кислоты и др.).

На молекулярном уровне изучают синтез и репродукцию, распад и взаимные превращения этих соединений в клетке, происходящий при этом обмен веществами, энергией и информацией, регуляцию этих процессов. Изучено строение ряда белков и некоторых нуклеиновых кислот, а также многих простых органических соединений. Показано, что химическая энергия, освобождающаяся в ходе биологического окисления (гликолиз, дыхание), запасается в виде богатых энергией соединений, в основном аденозинфосфорных кислот (АТФ и др.) и в дальнейшем используется в требующих притока энергии процессах (синтез и транспорт веществ, мышечное сокращение и др.).

Крупный успех биологии – открытие генетического кода. Наследственные свойства организма «записаны» в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), четырьмя видами чередующихся в определенной последовательности мономеров – нуклеотидов. Способность молекул ДНК удваиваться обеспечивает их воспроизведение в клетках организма и наследственную передачу от родителей к потомкам.

Биологические исследования на молекулярном уровне требуют выделения и изучения всех видов молекул, входящих в состав клетки, выяснения их взаимоотношений друг с другом. Для разделения макромолекул используются их различия в плотности и размерах (ультрацентрифунгирование), зарядах (электрофорез), адсорбционных свойствах (хромостография). Взаимное пространственное расположение атомов в сложных молекулах изучают методом рентгеноструктурного анализа. Пути превращения веществ, скорости их синтеза и распада исследуют путем введения соединений, содержащих радиоактивные атомы.

При переходе к исследованию клеточных структур, состоящих из определенным образом подобранных и ориентированных молекул, биология поднимается на следующий уровень организации жизни – клеточный. На этом уровне цитология, гистология и их разделы, а также многие разделы вирусологии, микробиологии и физиологии изучают строение клетки и внутриклеточных компонентов, а также связи и отношения между клетками в разных тканях и органах. Клетка – основная самостоятельно функционирующая единица структуры многоклеточного организма. Многие организмы (бактерии, водоросли, грибы, простейшие) состоят из одной клетки, точнее, являются бесклеточными. Свойства клетки определяются ее компонентами, осуществляющими различные функции. В ядре находятся хромосомы, содержащие ДНК и ответственные за сохранение и передачу дочерними клетками наследственных свойств.

Энергетический обмен в клетке – дыхание, синтез АТФ и пр. – происходит в митохондриях. Поддержание химического состава клетки, активный транспорт веществ в нее и из нее, передача нервного возбуждения, форма клеток и характер их взаимоотношений определяются структурой клеточной оболочки. Совокупность клеток одного типа образует ткань, функционирующее сочетание нескольких тканей – орган. Исследованиями на клеточном уровне выяснены основные компоненты клетки, строение различных клеток и тканей и их изменения в процессах развития.

При изучении клеток в световом микроскопе, позволяющем видеть детали порядка 1 мкм, для большей контрастности изображения применяют разные методы фиксации, приготовления тонких прозрачных срезов, их окраски. Электронная микроскопия позволяет различать очень мелкие структуры, вплоть до макромолекул, хотя описание их строения часто затруднено из-за недостаточной контрастности изображения. Функции внутриклеточных компонентов изучают, выделяя их из разрушенных клеток осаждением в центрифугах с различными скоростями вращения. Свойства клеток исследуют также в условиях длительного культивирования их вне организма.

На уровне целого организма изучают процессы и явления, происходящие в особи и определяющие согласованное функционирование ее органов и систем. Этот уровень исследуют физиология, эндокринология, иммунология, эмбриология и многие другие отрасли биологии. На этом уровне изучают также механизмы работы органов и систем, их роль в жизнедеятельности организма, взаимные влияния органов, нервную, эндокринную регуляцию их функций, поведение животных, приспособительные изменения и т. д. В организме функции разных органов связаны между собой: сердце – с легкими, одних мышц с другими и т. д.

В значительной мере эта взаимосвязь частей организма определяется функцией желез внутренней секреции. Так, поджелудочная железа и надпочечники через гормоны – инсулин и адреналин – регулируют накопление гликогена в печени и уровень сахара в крови. Эндокринные железы связаны друг с другом по принципу обратной связи – одна железа (например, гипофиз) активирует функцию другой (например, щитовидной железы), в то время как та подавляет функцию первой. Такая система позволяет поддерживать постоянную концентрацию гормонов и тем самым регулировать функцию всех органов, зависящих от этих желез.

Еще более высокий уровень интеграции обеспечивается нервной системой с ее центральными отделами, органами чувств, чувствительными и двигательными нервами. Посредством нервной системы организм получает информацию от всех органов и от внешней среды; эта информация перерабатывается центральной нервной системой, регулирующей функции органов и систем и поведение организма.

Среди применяемых на этом уровне методов широкое распространение получили электрофизиологические методы. Исследование высшей нервной деятельности животных и человека включает ее моделирование, в том числе с применением кибернетики.

На популяционно-видовом уровне соответствующие отрасли биологии изучают элементарную единицу эволюционного процесса – популяцию, т. е. совокупность особей одного вида, населяющую определенную территорию и в большей или меньшей степени изолированную от соседних таких же совокупностей. Подобная составная часть вида способна длительно существовать во времени и пространстве, самовоспроизводиться и трансформироваться. В ряду поколений протекает процесс изменения состава популяции и форм входящих в нее организмов, приводящий в итоге к видообразованию и эволюционному прогрессу.

Единство популяции определяется потенциальной способностью всех входящих в ее состав особей скрещиваться, а значит – и обмениваться генетическим материалом. Половое размножение, характерное для большинства обитателей Земли, обеспечивает как общность морфо-генетического строения всех членов популяции, так и возможность многократного увеличения генетического разнообразия.

Для организмов, размножающихся бесполым путем (посредством вегетативного размножения), морфологическое единство популяций определяется общностью их генетического состава. Изучение состава и динамики популяции неразрывно связано и с молекулярным, и с клеточным, и с организменным подходами.

На биогеоценотическом и биосферном уровнях объектом изучения биогеоценологии, экологии, биогеохимии и других отраслей биологии служат процессы, протекающие в биогеоценозах (экосистемах) – элементарных структурных и функциональных единицах биосферы. Каждая популяция существует в определенной среде и составляет часть многовидового сообщества – биоценоза, занимающего определенное место обитания – биотип. В этих сложных комплексах живых компонентов первичными продуцентами органического вещества служат фотосинтезирующие растения и хемосинтезирующие бактерии. Биогеоценозы – это те «блоки», в которых протекают вещественно-энергетические круговороты, вызванные жизнедеятельностью организмов и в сумме составляющие большой биосферный круговорот. Обмен веществ между биогеоценозами осуществляется в газообразной, жидкой, твердой фазах.

С биогеохимической точки зрения, миграции вещества в целях биогеоценозов могут рассматриваться как серии сопряженных процессов рассеивания и концентрирования вещества в организмах, почвах, водах и атмосфере.

Важное практическое значение приобрело во второй половине ХХ в. изучение биологической продуктивности биогеоценозов. Необходимость самостоятельного изучения биогеоценотического уровня организации живого обуславливается тем, что биогеоценозы – среда, в которой протекают любые жизненные процессы на нашей планете. На этом уровне проводятся комплексные исследования, охватывающие взаимоотношения входящих в биогеоценозы компонентов, выясняющие миграции живого вещества в биосфере, пути и закономерности протекания энергетических круговоротов. Такой широкий подход, дающий возможность предвидеть последствия хозяйственной деятельности человека, получает распространение и в форме Международной биологической программы, призванной координировать усилия биологов многих стран.

Концентрация биологических исследований по уровням организации живого предполагает взаимодействие различных отраслей биологии, что обогащает смежные науки новыми идеями и методами.

Биология представляет собой огромную совокупность множества фактов и теорий о живых организмах. Чтобы как-то упорядочить этот необозримый материал, обычно принято отделять изучение растений от изучения животных или рассмотрение структуры организма от исследования его функций. Но поскольку у растений и животных, несмотря на все различия, есть очень много общего, то лучше подразделять биологию в соответствии с различными уровнями организации живого. Первые биологи занимались изучением целых организмов. Изобретение микроскопа и его применение подготовили почву для появления клеточной теории. Усовершенствование электронного микроскопа и разработка методов фиксации тканей и ультратонких срезов привели к открытию уровня субклеточной организации. Быстрое развитие химических и физических методов, которые привели к расшифровке генетического кода и процессов синтеза специфических белков, составили область молекулярной биологии. Высший уровень организации биологических систем – это уровень популяций и их взаимоотношений с окружающей средой.

Результаты исследований биологов используются во многих областях знаний, прежде даже весьма далеких от биологии. Так, широко используется микробиология для получения новых высокоэффективных лекарственных соединений, для разработки рудных месторождений с помощью микроорганизмов.

В последние сто лет биология развивалась поистине поразительными темпами. За это время сформировались такие ее разделы, как цитология, генетика, теория эволюции, биохимия, биофизика, экология. Открытия в области химии, физики и других наук дали толчок развитию биологии, и наоборот.

Мультимедийный отчт по экскурсии в зоопарк ТГУ им Г. Р. Державина Презентация Фильм Создание проекта Тема проекта:

Творческое название:

Авторы:

Тип проекта Возраст участников проекта:

Сроки проведения:

Предметная область:

Аннотация:

Образовательные цели:

Развивающие цели:

Воспитательные цели:

Основополагающий вопрос:

Проблемные вопросы темы: (1-5) Гипотезы:

Темы исследовательских работ:

Структура учебно-методического пакета:

Этапы разработки проекта:

Защита проекта, выводы:

Две формы клеточной организации живой материи.

Человечество с древнейших времен занималось выпечкой хлеба, пивоварением и приготовлением вина.

Однако до определенного момента никто даже не подозревал, что сбраживание сусла, виноградного сахара и мучной кашицы – дело «рук» невидимых невооруженным глазом живых существ – микробов.

Бактерии имеют настолько крохотные размеры (наиболее крупная бактерия Achromatium oxaliferum имеет длину всего 125 мкм, что об их существовании длительное время не было ничего известно, хотя многие выдающиеся ученые прошлого догадывались о том, что процессы гниения, брожения, «повальные» болезни вызываются невидимыми живыми организмами. Так, Гиппократ (460-377 гг.

до н. э.) разработал миазматическую теорию происхождения инфекционных болезней. Итальянский врач Д. Фракастро (1478-1553) утверждал, что «повальные болезни передаются от человека к человеку мельчайшими живыми существами – «контагиями». Но это были всего лишь предположения без доказательств.

И вот на помощь пришел Его Величество Случай. В небольшом голландском городке Делфт местный купец Антони ван Левенгук (1632-1723) проводил большую часть своего свободного времени, разглядывая разнообразные предметы в микроскоп собственного изготовления. Правда, по современным Методические рекомендации / Создание презентации в PowerPoint / Составитель: Безрученко И. Г. - зам. директора по научно-методической работе; Уваров А. Н. - преподаватель I категории / ТОГБОУ СПО «Политехнический колледж» Методическое пособие / Создание мультимедийных клипов средствами Windows movie maker / Составитель: Безрученко И. Г. - зам. директора по научно-методической работе; Уваров А. Н. - преподаватель I категории / ТОГБОУ СПО «Политехнический колледж» понятиям этот аппарат с одной линзой и системой микровитков микроскопом назвать трудно. Тем не менее это сооружение давало увеличение, кратное 280 раз.

Однажды, разглядывая каплю дождевой воды под линзой, Левенгук обнаружил в ней целое полчище маленьких живых существ, совершавших разнообразные беспорядочные передвижения. Но это были всего лишь инфузории, относящиеся к классу Protozoa. Настоящих бактерий он впервые увидел в 1683 г., когда рассматривал в микроскоп налет с собственных зубов. По результатам своих наблюдений в 1695 г. Левенгук опубликовал книгу «Arcana naturae detecta ab Antoni van Leeuwenhoek» (Тайны природы, открытые Антони Левенгуком). С тех пор начался так называемый микрографический, или описательный, период истории развития науки о микробах – микробиологии. Интерес к открытию А. Левенгука в то время был настолько велик, что изучением «анималькулей» занимались даже венценосные особы: король Пруссии Фридрих I, королева Англии и царь Петр I (Р. Реннеберг, И. Реннеберг, 1991).

2. СИСТЕМАТИЧЕСКОЕ ПОЛОЖЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ

Систематика – наука, занимающаяся вопросами классификации, номенклатуры и идентификации живых организмов, в том числе и микробов.

Развитие систематики микроорганизмов шло параллельно с накоплением знаний о них и открытием новых форм бактерий.

В 1886 г. немецкий биолог Э. Геккель предложил выделить одноклеточные организмы в особое царство – Protista (т. е. первосущества).

Далее произошло разделение царства на высших протист (клетки которых сходны с клетками животных) и низших (строение клеток которых значительно отличается от всех других микроорганизмов).

В современном виде такое разделение сохранилось: высшие протисты входят в состав царства Eycaryotae, низшие – в Procaryotae. И это не случайно, т. к. прокариотическая клетка имеет ряд существенных отличий от эукариотической:

1) в клетке прокариот отсутствуют организмы, заключенные в специальные мембраны (митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи, лизосомы, хлоропласты);

2) прокариоты не способны к фагоцитозу и пиноцитозу;

3) у прокариот отсутствуют актиновые микрофиламенты и микротрубки;

4) отсутствуют внутренние токи цитоплазмы;

5) геном прокариот локализован в одной хромосоме (хотя ее копий может быть несколько);

6) содержат один тип рибосом с константой седиментации (осаждения) 7О S;

7) имеют ряд структурных компонентов, которые отсутствуют у эукариот: жгутики, пили, эндогенные споры, капсула.

Названия бактерий, как и названия животных и растений, принято обозначать согласно разработанной еще в XVIII в. шведским ботаником Карлом Линнеем бинарной номенклатуре, т. е. название должно состоять из двух слов: первое обозначает род и характеризует какой-либо признак или фамилию ученого, открывшего микроб; второе – производное от существительного, обозначающего видовой признак. Например, кишечная палочка будет называться так: Esherichia coli – первое слово – это фамилия ученого, описавшего бактерию, Эшерих; второе обозначает, что микроб – обитатель кишечника (греч.

colon – кишечник). В современном виде систематическое положение бактерий выглядит так:

Империи:

Царство: Vira (вирусы) Царства: Procaryotae Отделы: Gracilicutes, Firmicutes, Tenericutes, Mendosicutes;

Царства: Eycaryotae Отдел Gracilicutes включает грамотрицательные микроорганизмы, разделенные на 9 секций.

Отдел Firmicutes включает грамположительные палочки кокки и пити, имеет в секции Ф.

Отдел Tenericutes. В данном отделе объединены грамотрицательные бактерии без клеточной стенки секции.

Отдел Mendosicutes. В отдел отнесены прокариоты, не патогенные для других организмов, – архебактерии. Каждая секция, в свою очередь, подразделяется на классы, порядки, семейства, роды, виды. Необходимо отметить, что современный вид классификация микробов приобрела благодаря американскому систематику Д. Х. Берги, который выпустил международный определитель микроорганизмов.

Для определения положения того или иного микроба в предложенной классификации необходимо знать основные свойства изучаемой бактерии: морфологию, подвижность, отношение к анилиновым красителям и культурально-биологические свойства.

Макро и микроэлементы клетки.

Неорганические соединения: вода, соли.

Органические вещества:

Их роль в процессе обеспечения жизнедеятельности клетки.

Центральное значение химических процессов в органической жизни ни у кого не может вызвать сомнения. Такова природа самого явления органической жизни как более высокой формы движения материи по сравнению с химической формой движения. Органическая жизнь возникла именно на основе развития химической формы движения без каких-либо промежуточных форм. Поэтому химия имеет непосредственное отношение к жизни. По химическому составу живая материя очень сильно отличается от неживой материи земной коры.

Какие химические элементы и в каких соотношениях обнаруживаются в клетках? Как они туда попали? Каким образом обнаруживаемые в живых клетках молекулы оказались приспособленными для выполнения своих функций? Чтобы попытаться ответить на эти вопросы, мы должны рассмотреть биомолекулы с тех же позиций, что и небиологические молекулы, используя принципы и подходы, принятые в классической химии. Одновременно следует также охарактеризовать биомолекулы с биологической точки зрения – в свете представлений о том, что различные типы молекул в живой материи связываются друг с другом и взаимодействуют, подчиняясь законам, которые мы называем в совокупности молекулярной логикой живого.

Химический состав живой материи отличается от химического состава земной коры. Для различных форм живого необходимы лишь 27 из 92 природных химических элементов, присутствующих в земной коре. Основные из них – это элементы, входящие в состав органического вещества:

- углерод С, водород Н, кислород O, азот N, фосфор P и сера S;

элементы, встречающиеся в виде ионов:

- натрий Na+, калий K+, магний Mg2+, кальций Ca2+ и хлор Cl-;

- железо Fe, медь Cu, цинк Zn, марганец Mn, кобальт Co, йод I, молибден Mo, ванадий V, никель Ni, хром Cr, фтор F, селен Se, кремний Si, олово Sn, бор B и мышьяк As.

Большинство встречающихся в живой материи элементов имеют сравнительно небольшие порядковые номера, и лишь у трех из них порядковые номера превышают 34. Более того, соотношение этих химических элементов в живых организмах совсем иное, чем в земной коре. В живых организмах в наибольших количествах встречаются четыре элемента – водород, кислород, углерод и азот; в большинстве клеток на их долю приходится более 99 % общей массы. Относительное содержание трех из этих элементов – водорода, азота и углерода – в живом веществе гораздо выше, чем в земной коре.

Различия в элементарном составе земной коры и живой материи станут еще более явными, если при сравнении учитывать только вес сухого вещества живых организмов, исключив из рассмотрения воду, на долю которой приходится более 75 % их общего веса. В живых клетках углерод составляет 50сухого вещества, азот – 8-10 %, кислород – 25-30 % и водород – 3-4 %. В земной же коре на долю углерода, водорода и азота, вместе взятых, приходится менее 1 % ее общей массы. Вместе с тем, восемь из десяти элементов, содержащихся в организме человека в наибольших количествах, входят в число десяти элементов, которые в наибольших количествах присутствуют в морской воде. Исходя из этих данных, можно сделать два рабочих допущения. Согласно первому из них, химические соединения, содержащие углерод, водород, кислород и азот (наиболее распространенные в живой природе элементы), были отобраны в ходе эволюции благодаря их особой приспособленности для участия в процессах жизнедеятельности. Второе допущение состоит в том, что морская вода была именно той жидкой средой, в которой живые организмы впервые появились на ранних этапах развития Земли.

- Основные элементы Водород, кислород, углерод и азот способны образовывать прочные ковалентные связи посредством спаривания электронов, принадлежащих двум атомам. Кислород, углерод и азот образуют и одинарные, и двойные связи, благодаря чему получаются самые разнообразные химические соединения.

Химические свойства живых организмов в значительной степени зависят от углерода, на долю которого приходится более половины их сухого веса. Для заполнения внешней электронной оболочки атому водорода не хватает одного электрона, атому кислорода – двух, атому азота – трех и атому углерода – четырех электронов. Таким образом, при взаимодействии атома углерода с четырьмя атомами водорода «обобществляются» четыре электронные пары, в результате чего возникает соединение метан (СН4), в котором каждая общая электронная пара соответствует одной одинарной связи.

Углерод может образовывать одинарные связи также и с атомами кислорода и азота. Однако наиболее важное значение в биологии имеет способность атомов углерода «делиться» электронными парами друг с другом, что приводит к формированию очень устойчивых одинарных углеродуглеродных связей. Каждый атом углерода может образовать одинарную связь с одним, двумя, тремя или четырьмя другими атомами углерода. Кроме того, два углеродных атома, соединяясь друг с другом, могут «обобществить» две пары электронов; при этом образуется двойная углерод-углеродная связь.

Благодаря описанным свойствам, ковалентно связанные атомы углерода способны образовывать множество разнообразных структур: линейные и разветвленные цепи, циклические и сетчатые структуры, а также их комбинации. Все эти структуры лежат в основе скелетов многочисленных органических молекул самых разных типов. К таким углеродным скелетам могут присоединяться другие атомные группы, что обусловлено способностью углерода образовывать ковалентные связи с кислородом, водородом, азотом и серой. Вещества, имеющие скелеты из ковалентно связанных углеродных атомов, называются органическими соединениями, причем их разнообразие практически безгранично.

Поскольку большинство биомолекул относятся к органическим соединениям, можно предположить, что способность углерода участвовать в формировании разнообразных химических связей сыграла решающую роль в выборе именно углеродсодержащих соединений для создания молекулярных механизмов клеток в процессе возникновения и эволюции живых организмов. Особенно важна способность атомов углерода взаимодействовать друг с другом путем возникновения ковалентных углеродуглеродных связей. Каждый углеродный атом может установить ковалентные связи с четырьмя атомами углерода. Ковалентно связанные атомы углерода могут формировать каркасы бесчисленного множества различных органических молекул. Поскольку атомы углерода легко вступают в ковалентные связи с кислородом, азотом и серой, органические молекулы достигают исключительной сложности и разнообразия строения.

- Макроэлементы Кроме четырех основных элементов, в клетке в заметных количествах (десятые и сотые доли процента) содержатся натрий, калий, кальций, хлор, фосфор, сера, железо, магний. Каждый из них выполняет важную функцию в клетке. Например, ионы Na+, К+ и Cl- обеспечивают проницаемость клеточных мембран для различных веществ и проведение импульса по нервному волокну. Кальций и фосфор участвуют в формировании костной ткани, обеспечивая прочность кости. Кроме того, кальций – один из факторов, влияющих на процесс свертывания крови. Железо входит в состав гемоглобина – белка эритроцитов, – связывающего кислород. Магний в клетках зеленых растений – компонент хлорофилла – пигмента, обеспечивающего преобразование солнечной энергии в энергию химических связей (фотосинтез), в клетках животных находится в составе ряда ферментов.

- Микроэлементы Остальные элементы (цинк, медь, йод, фтор и др.) содержатся в живых организмах в очень малых количествах – в общей сложности до 0,02 %. Они встречаются главным образом в специализированных клетках, где участвуют в образовании биологически активных веществ. Так, цинк входит в молекулу гормона поджелудочной железы инсулина, регулирующего углеводный обмен, йод – компонент гормона щитовидной железы тироксина, регулирующего интенсивность обмена веществ и рост организма в процессе развития. Все химические элементы находятся в организме либо в виде ионов, либо входят в состав тех или иных соединений – молекул неорганических и органических веществ.

Из неорганических соединений самое распространенное в живых организмах – вода. Вода является наиболее широко распространенным веществом в живой природе, и ее весовое содержание в большинстве живых организмов составляет 70 % и более. Ее содержание в клетках разного типа колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов воды около 10 %, а в клетках развивающегося зародыша – более 90 %. В теле медузы воды до 98 %. Кроме того, первые живые организмы возникли, вероятно, в первичном океане, так что вода – это по существу прародительница всего живого.

Вода заполняет все составные части каждой живой клетки, и именно она представляет собой ту среду, в которой осуществляются транспорт питательных веществ, катализируемые ферментами метаболические реакции и перенос химической энергии. Поэтому все структурные элементы живой клетки и их функции обязательно должны быть приспособлены к физическим и химическим свойствам воды.

Более того, клетки научились использовать уникальные свойства воды для реализации некоторых процессов их жизнедеятельности.

Часто мы рассматриваем воду просто как безвредную инертную жидкость, удобную для практического использования в разных целях. Хотя в химическом отношении вода весьма устойчива, она представляет собой вещество с довольно необычными свойствами. В самом деле, вода и продукты ее ионизации – ионы Н+ и ОН- – оказывают очень большое влияние на свойства многих важных компонентов клетки, таких, как ферменты, белки, нуклеиновые кислоты и липиды. Например, каталитическая активность ферментов в значительной мере зависит от концентрации ионов Н+ и ОН-.

Среди других химических веществ живой клетки преобладают органические соединения. Они составляют в среднем 20-30 % массы организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул – гормонов, пигментов, аминокислот, нуклеотидов, АТФ и др. В различные типы клеток входит неодинаковое количество тех или иных органических соединений. Например, в растительных клетках преобладают сложные углеводы – полисахариды; в животных – больше белков и жиров. Тем не менее, каждая группа органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.

Практически все сухое вещество клеток составляют органические соединения, представленные четырьмя основными видами молекул: белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами и липидами.

Неорганические молекулы живого вещества Химию живых существ – животных, растений, бактерий и грибов – отличают две особенности: вопервых, живые существа состоят главным образом из воды и, во-вторых, молекулы химических веществ, свойственных только живому, имеют углеродные «скелеты».

Рассмотрим общую картину строения вещества, причем в первую очередь воду и углеродсодержащие компоненты живого.

1. ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ КЛЕТКИ

В земной коре встречается около 100 химических элементов, но для жизни необходимы только из них.

- Главные элементы. Ионы. Микроэлементы органических молекул.

Н водород, Na+ натрий, Mn марганец, B бор, С углерод, Mg2+ магний, Fe железо, Al алюминий, N азот, Cl хлор, Co кобальт, Si кремний, О кислород, К+ калий, Cu медь, V ванадий, Р фосфор, Са2+ кальций, Zn цинк, Mo молибден, S сера, J йод.

(Элементы, перечисленные в трех первых строках, встречаются во всех организмах. По А.

Lehninger, Biochemistry, Worth, N.Y., 1970).

Наиболее распространены в живых организмах (в порядке убывающего числа атомов) четыре элемента: водород, углерод, кислород и азот. На их долю приходится более 99 % как массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов. Однако в земной коре первые четыре места по распространенности занимают кислород, кремний, алюминий и натрий. Биологическое значение водорода, кислорода, азота и углерода связано в основном с их валентностью, равной соответственно 1, 2, 3, 4.

- I. МАКРОЭЛЕМЕНТЫ Они составляют основную массу вещества клетки. На их долю приходится около 99 % всей массы клетки. Особенно высока концентрация четырех элементов: кислорода, углерода, азота, водорода (98 % всех макроэлементов). К макроэлементам относят также элементы, содержание которых в клетке исчисляется десятыми и сотыми долями процента. Это, например, такие элементы, как калий, магний, натрий, кальций, железо, сера, фосфор, хлор.

- II. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ К ним относятся преимущественно ионы тяжелых металлов, входящие в состав ферментов, гормонов и других жизненно важных веществ. В организме эти элементы содержатся в очень небольших количествах: от 0,001 % до одной миллионной %, в числе таких элементов бор, кобальт, медь, молибден, цинк, ванадий, йод, бром и другие.

- III. УЛЬТРАМИКРОЭЛЕМЕНТЫ

Концентрация их не превышает одной миллионной %. Физиологическая роль большинства этих элементов в организмах растений, животных и в клетках бактерий пока устанавливается. К ним относятся уран, радий, золото, ртуть, бериллий, цезий, селен и другие редкие элементы.

2. ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА КЛЕТКИ

Обнаружено, что некоторые организмы – интенсивные накопители определенных элементов. Так, ряд морских водорослей накапливают йод, лютики накапливают литий, ряска – радий, диатомовые водоросли и злаки – кремний, моллюски и ракообразные – медь, позвоночные – железо, некоторые бактерии – марганец и т. д. Элементарный состав организмов и химический состав окружающей среды существенно отличается. Например, кремния в почве около 33 %, а в растениях лишь 0,15 %, кислорода в почве около 49 %, а в растениях 70 % и т. д. Это указывает на избирательную способность организмов использовать только определенные химические элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клеток. По содержанию элементы, входящие в состав клетки, можно разделить на три группы.

Химические элементы, которые входят в состав клеток и выполняют биологические функции, называются биогенными.

Все химические элементы в виде ионов либо в составе тех или иных соединений участвуют в построении организма. Например, углерод, водород и кислород входят в состав углеводов и жиров. В составе белков к ним добавляются азот и сера, в составе нуклеиновых кислот – азот, фосфор, железо, участвующие в построении молекулы гемоглобина; магний находится в составе хлорофилла; медь обнаружена в некоторых окислительных ферментах; йод содержится в составе молекулы тироксина (гормона щитовидной железы); натрий и калий обеспечивают электрический заряд на мембранах нервных клеток и нервных волокон; цинк входит в молекулу гормона поджелудочной железы – инсулина; кобальт находится в составе витамина В12.

3. ЗНАЧЕНИЕ УГЛЕРОДА

Углерод имеет ряд уникальных химических свойств, фундаментальных для жизни. Изучением углерода и его соединений занимается отдельная отрасль химии – органическая химия. В чем заключаются уникальные свойства углерода? Его атомный номер равен 6, потому что в его ядре обращается шесть электронов. Ядро содержит еще и шесть нейтронов, так что атомная масса углерода равна 12. Вступая в химическую реакцию, углерод приобретает заполненную (стабильную) оболочку из восьми электронов путем обобществления четырех электронов. Он, следовательно, образует ковалентные связи (обобществленные электроны), и валентность его равна 4 (он обобществляет четыре электрона).

Значение углерода определяется тем, что он способен образовывать стабильные, прочные ковалентные связи. Эти связи он образует как с другими углеродными атомами, так и с атомами других элементов.

Углерод обладает способностью, не свойственной (во всяком случае в такой мере) ни одному другому элементу: соединяясь между собой ковалентными связями, его атомы образуют стабильные цепи или кольца. Именно этой стабильностью углерода и объясняются в первую очередь чрезвычайно разнообразные органические соединения: С-С-связи можно рассматривать как скелет органических молекул.

Углеродные атомы образуют обычные ковалентные связи с атомами Н, N, О, Р., S. Соединение с этими и с другими элементами в различных комбинациях обеспечивает большое разнообразие органических соединений.

Кратные связи. Еще одно важное свойство углерода заключается в его способности образовывать кратные связи; этим же свойством обладают кислород и фосфор. Известны следующие кратные связи:

Двойные связи )C=С( )С=О )С=NТройные связи -C C- -C N Соединения, содержащие двойные связи (=) или тройные () углерод-углеродные связи, называются ненасыщенными. В насыщенном соединении имеются только простые (одинарные) углеродуглеродные связи.

Суммируем важные химические свойства углерода:

1. Его атомы сравнительно малы, атомная масса невелика;

2. Он способен образовывать четыре прочные ковалентные связи;

3. Он образует углерод-углеродные связи, строя таким путем длинные углеродные скелеты молекул в виде цепей и колец;

4. Он образует кратные ковалентные связи с другими углеродными атомами, а также с кислородом и азотом.

Это уникальное сочетание свойств обеспечивает колоссальное разнообразие органических молекул. Разнообразие проявляется в размере молекул, определяемых их углеродным скелетом, в химических свойствах, которые зависят от присоединенных к скелету элементов и химических групп, а также от степени насыщенности скелета, и, наконец, в различной форме молекул, определяемой геометрией, т.

е. углами связей.

4. НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ИОНЫ

Многие элементы в клетке содержатся в виде ионов – это катионы (К+, Na+, Са2+, Mg2+, NH3+) и анионы (Cl-, HPO42-, H3PO4-, HCO3-, NO3-) минеральных солей. Концентрация катионов и анионов в клетке и в окружающей ее среде резко различна. Внутри клетки присутствуют ионы К+ и крупные органические ионы, в околоклеточных жидкостях всегда больше ионов Na+ и Cl-. Вследствие этого образуется разность зарядов внешней и внутренней поверхностей мембраны клетки, между ними возникает разность потенциалов, обуславливающая такие важные процессы, как передача возбуждения по нерву или мышце.

Содержащиеся в организме ионы имеют важное значение для поддержания постоянства реакций среды в клетке и в окружающих ее растворах, т. е. являются компонентами буферных систем. Наиболее значимая буферная система млекопитающих – фосфатная и бикарбонатная.

Фосфатная буферная система состоит из H2PO4- и HPO42- и поддерживает рН внутриклеточной жидкости в пределах 6,9 – 7,4. Главной буферной системой внеклеточной среды (плазмы крови) служит бикарбонатная система, состоящая из H2CO3 и HCO3- и поддерживающая рН на уровне 7,4.

Соединения азота, фосфора, кальция и другие неорганические вещества служат источником строительного материала для синтеза органических молекул (аминокислот, белков, нуклеиновых кислот и др.) и входят в состав ряда опорных структур клетки и организма.

Некоторые неорганическое ионы (например, ионы кальция и магния) являются активаторами и компонентами многих ферментов, гормонов и витаминов. При недостатке этих ионов нарушаются жизненно важные процессы в клетке.

Немаловажные функции в живых организмах выполняют неорганические кислоты и их соли. Соляная кислота входит в состав желудочного сока животных и человека, ускоряя процесс переваривания белков пищи. Остатки серной кислоты, присоединяясь к нерастворимым в воде чужеродным веществам, придают им растворимость, способствуя выведению из организма. Неорганические натриевые и калиевые соли азотистой и фосфорной кислот служат важными компонентами минерального питания растений, их вносят в почву в качестве удобрений. Соли кальция и фосфора входят в состав костной ткани животных.

Без воды жизнь на нашей планете не могла бы существовать. Вода важна для живых организмов вдвойне, ибо она не только необходимый компонент живых клеток, но для многих еще и среда обитания.

Химические и физические свойства воды довольно необычны и связаны главным образом с малыми размерами ее молекул, с полярностью ее молекул и с их способностью соединяться друг с другом водородными связями. Под полярностью подразумевают неравномерное распределение зарядов в молекуле. У воды один конец молекулы несет небольшой положительный заряд, а другой – отрицательный.

Такую молекулу называют диполем. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны водородных атомов. В результате между молекулами воды возникает электростатическое взаимодействие, а поскольку противоположные заряды притягиваются, молекулы как бы склонны «склеиваться». Эти взаимодействия, более слабые, чем обычные ионные связи, называются водородными связями. Учитывая данную особенность воды, можно рассмотреть ее биологическое значение.

Вода – превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие, как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоциируют (отделяются друг от друга) в воде, когда вещество растворяется, а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (у сахаров и спиртов это ОН-группы).

Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и, соответственно, его реакционная способность возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять водные растворы на отдельные компартменты, подобно тому, как их разделяют мембраны. Неполярные части молекул отталкиваются водой и в ее присутствии притягиваются друг к другу, как это бывает, например, когда капельки масла сливаются в более крупные капли; иначе говоря, неполярные молекулы гидрофобны. Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот.

Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторной системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Вода обладает большой теплоемкостью. Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение ее температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды, т. е. на преодоление ее «клейкости».

Большая теплоемкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения.

Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью, и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий.

Для воды характерна большая теплота испарения. Скрытая теплота испарения (или относительная скрытая теплота испарения) есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для ее перехода в пар, т. е. для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии. Это объясняется существованием водородных связей между молекулами воды. Именно в силу этого температура кипения воды – вещества со столь малыми молекулами – необычно высока.

Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из их окружения. Таким образом, испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется у животных при потоотделении, при тепловой одышке у млекопитающих или у некоторых рептилий (например, у крокодилов), которые на солнцепеке сидят с открытым ртом; возможно, оно играет заметную роль и в охлаждении транспирирующих листьев.

Скрытая теплота плавления (или относительная скрытая теплота плавления) есть мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твердого вещества (льда). Воде для плавления (таяния) необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток. Вода – единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твердом.

Поскольку лед плавает в воде, он образуется при замерзании сначала на ее поверхности и лишь под конец в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке, снизу вверх, то в областях с умеренным или холодным климатом жизнь в пресноводных водоемах вообще не могла бы существовать. Лед покрывает толщу воды как одеялом, что повышает шансы на выживание у организмов, обитающих в ней. Это важно в условиях холодного климата и в холодное время года, но, несомненно, особенно важную роль это играло в ледниковый период. Находясь на поверхности, лед быстрее и тает. То обстоятельство, что слои воды, температура которых упала ниже 4 град., поднимаются вверх, обуславливает их перемещение в больших водоемах. Вместе с водой циркулируют и находящиеся в ней питательные вещества, благодаря чему водоемы заселяются живыми организмами на большую глубину.

У воды большое поверхностное натяжение и когезия. Когезия – это сцепление молекул физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение – результат действующих между молекулами сил когезии, направленных внутрь.

Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной (в идеале – форму шара). Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у воды. Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях. Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.

- ВОДА КАК РЕАГЕНТ

Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов, т. е. участвует в метаболических реакциях. Вода используется, например, в качестве источника водорода в процессе фотосинтеза, а также участвует в реакциях гидролиза.

- ВОДА И ПРОЦЕСС ЭВОЛЮЦИИ

Роль воды для живых организмов находит свое отражение, в частности, в том, что одним из главных факторов естественного отбора, влияющих на видообразование, является недостаток воды (ограничение распространения некоторых растений, имеющих подвижные гаметы). Все наземные организмы приспособлены к тому, чтобы добывать и сберегать воду; в крайних своих проявлениях – у ксерофитов, у обитающих в пустыне животных и т. п. Такого рода приспособления представляются подлинным чудом «изобретательности» природы.

6. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ВОДЫ

У всех организмов:

1) обеспечивает поддержание структуры (высокое содержание воды в протоплазме);

2) служит растворителем и средой для диффузии;

3) участвует в реакциях гидролиза;

4) служит средой, в которой происходит оплодотворение;

5) обеспечивает распространение семян, гамет и личиночных стадий водных организмов, а также семян некоторых наземных растений, например кокосовой пальмы.

У растений:

1) обуславливает осмос и тургесцентность (от которых зависит многое: рост (увеличение клеток), поддержание структуры, движения устьиц и т. д.);

2) участвует в фотосинтезе;

3) обеспечивает транспорт неорганических ионов и органических молекул;

4) обеспечивает прорастание семян – набухание, разрыв семенной кожуры и дальнейшее развитие.

У животных:

1) обеспечивает транспорт веществ;

2) обуславливает осморегуляцию;

3) способствует охлаждению тела (потоотделение, тепловая одышка);

4) служит одним из компонентов смазки, например в суставах;

5) несет опорные функции (гидростатический скелет);

6) выполняет защитную функцию, например в слезной жидкости и в слизи;

7) способствует миграции (морские течения).

Глубоко проникает в тьму времен острый луч прожектора науки. Но время образования нашей планеты безмерно далеко. Луч слабеет, дрожит и колеблется... Возникла Земля из огненного солнечного вещества или из газо-пылевого облака? Горячая или холодная была сначала Земля? От решения этой проблемы зависит и решение вопроса о происхождении воды.

По представлениям О. Ю. Шмидта, в первоначальной стадии образования Земли молекулы воды намораживались на твердые частицы уплотнявшегося газо-пылевого облака. Потом, под влиянием радиоактивных процессов, Земля стала разогреваться. Накопившееся тепло начало «изгонять» воду из недр Земли. Количество воды на поверхности планеты с течением времени увеличивалось, потекли реки, образовались океаны и моря. Сторонники этой гипотезы считают, что нарастание гидросферы продолжается и поныне. Мировой океан медленно поглощает сушу.

Существует и противоположная точка зрения. На Земле развиваются геологические процессы, химически связывающие воду. В глине, например, химически связано 14 % воды, а в гипсе – 21 %. Вода в подобных случаях связана «навеки», если не произойдет катастрофы, которая ввергнет эти породы в подкорковую зону земного шара, в зону огромных давлений и высоких температур. Академик Ф. Ю.

Левинсон-Лессинг считал, что эти геологические процессы «прочат полное обезвоживание поверхности Земли, уничтожение всего живущего и печальную физиономию Луны». К этому же заключению, видимо, но из других соображений, присоединяется аргентинский геолог Гейнсгеймер. Он полагает, что Земля заметно теряет воду при разложении паров в верхних слоях атмосферы на кислород и водород, которое происходит под влиянием космических лучей, причем водород безвозвратно уносится в мировое пространство.

Однако из всех гипотез наиболее убедительно выглядит гипотеза В. И. Вернадского. Он считал, что количество воды на поверхности Земли остается неизменным, а моря, заливавшие временами сушу во время даже самых мощных океанских трансгрессий, – это только «всплески всемирного океана».

В настоящее время советские ученые установили, что, действительно, в верхних слоях атмосферы происходит разложение водяных паров на кислород и водород. Но убыль воды от этого ничтожна. На протяжении всей истории Земли она могла вызвать понижение уровня океана всего на 2-3 м. Голландский геолог Ф. Кюэнен сделал интересный расчет, касающийся выделения первичной или, как говорят, ювенильной воды, происходящего при вулканической деятельности. Так вот, оно составляет около 1/ км3 в год. Следовательно, со времени палеозоя, за последние 270 млн лет, количество воды, освободившееся из недр Земли, составляет незначительную долю общей массы океанской воды.

Однако вернемся к вопросу о происхождении воды на Земле. Намораживание ее молекул на твердые частицы холодной Земли не объясняет происхождения этих молекул, следовательно, и самой воды.

Гораздо правдоподобнее другая гипотеза.

В бурных реакциях созидания, происходивших в плазме солнечного вещества новорожденной Земли, наряду с прочими элементами, металлами и минералами возникли и пары воды. При остывании планеты они низвергались на ее поверхность и образовали гидросферу.

По мнению академика Д. И. Щербакова, вода более или менее ровным слоем покрывала первоначально всю планету. Затем во впадинах образовались моря и океаны, потекли реки, а после того, как слой рыхлых осадков покрыл первозданные скалы, медленно стали сочиться подземные воды. Итак, надо думать, что земная кора и вода образовались почти одновременно, а общая масса воды на нашей планете практически неизменна, и потому Матушке-Земле не грозит ни всемирный потоп, ни превращение в безводную пустыню.

Между судьбами капель воды и судьбами людей есть нечто общее. Как бы велико ни было число тех и других, судьбы у всех у них разные. Если бы проследить за жизнью одной единственной молекулы воды со времени ее образования и до наших дней, можно было бы написать самую увлекательную сказку для детей или не менее увлекательный роман для взрослых.

Вместе с миллионами других молекул она точила и растворяла первозданные горы, в виде тончайших кристаллов тысячи лет хранилась в высокогорных ледниках, совершила не одно кругосветное путешествие вместе с морскими течениями, затопляла села и города во время наводнений, плавала в облаках над поверхностью океанов и материков, разбивала корабли о прибрежные скалы, обильно насыщала влагой древние папоротниковые деревья, современные пальмы и сосны; каплей росы она сверкала на душистых лепестках розы, струилась в термах Помпеи и акведуках Карфагена, взращивала посевы и питала виноградную лозу; вместе с хмелем она дурманила голову человеку, несла жизнь усталому путнику в безводной пустыне и умерщвляла человека, растворяя таинственные средневековые яды семейства Борджиа.

Посмотрим, какими путями движется вода на Земле в наше время.

Первоисточник воды на нашей планете – Мировой океан. Преодолевая силу тяжести, мощная тепловая машина, приводимая в движение энергией Солнца, ежегодно поднимает с поверхности всего земного шара в атмосферу 511 тыс. км3 воды. 411 тыс. км3 поднимается с одной только поверхности океана; из них примерно две трети возвращается в виде атмосферных осадков обратно в океан. Это малый круговорот воды на Земле.

Оставшаяся треть испарений уносится ветрами с поверхности океана на сушу. Она присоединяется к водяным парам, поднимающимся в атмосферу с растительного покрова, из почвы и водоемов суши.

Одна треть – это, кажется, не так уж много. Но если бы океан этой третью не пополнял убыль воды, стекающей в него с суши, материки давно превратились бы в пустыни.

На суше в виде осадков ежегодно выпадает примерно 100 тыс. км3 воды. Здесь путь воды длиннее, разнообразнее и сложнее. Часть воды после дождя сейчас же возвращается в атмосферу, особенно если это происходит летом или в засушливых южных странах. Выпал, например, в пустыне ночной дождь.

Дневное жаркое солнце накалило и высушило песок, а с наступлением ночной прохлады вода, испарившаяся днем, опять вернулась на землю в виде росы.

Вот первые капли дождя упали на жаждущую влаги почву. Вода просачивается сквозь поры сначала быстро, потом медленнее. Сила тяжести влечет ее все ниже и ниже, пока на пути не встретится непроницаемый скальный или глинистый пласт. Скопившаяся над ним вода начинает медленно течь в порах грунта вдоль по его уклону. Она может снова выйти на поверхность земли в ближайшем овраге, слиться с другими подземными водоносными слоями в невидимую многоводную «реку» или в углублении водонепроницаемого пласта образовать целое подземное озеро-губку.

Вода проникает в земную кору на глубину сотен и тысяч метров. Извилистыми подземными путями она порой течет на очень дальние расстояния и выходит на поверхность в виде гейзеров, ручьев и болот, питает реки в засушливое время года или прямо стекает в моря и океаны, образуя на дне их удивительные источники пресной воды. Но когда почва, вдоволь насыщенная влагой, отказывается уже принимать дождевую воду, вода стекает по ее поверхности, собираясь в наземные ручейки, образует паводки и, в конечном итоге, опять-таки попадает в океан.

Часть увлажнившей почву воды всасывают корни растений. Насыщенная питательными солями, она поднимается по стволам и стеблям и возвращается в атмосферу через листья в виде водяных паров.

Вода может выпасть на землю в форме снега. Тогда в своем стремлении к океану она задержится до весны. А если снег выпадает на вершины высоких снеговых гор, в Антарктиде или в Гренландии, он может пролежать многие десятки, сотни и даже тысячи лет; с течением времени он превратится в лед медленно сползающих вниз ледников. Как видите, у воды на Земле много путей, и, действительно, нельзя заранее сказать, какая судьба, какой путь – длинный или короткий, прямой или извилистый – предстоит капле воды, покинувшей океан, прежде чем она вернется на свою родину. Это большой круговорот воды на Земле.

Воздух и вода – главные и, пожалуй, единственные вещества неживой природы, подвижные в полном смысле этого слова. Благодаря плотности, во много раз превышающей плотность воздуха, вода выполняет на Земле роль главного транспортного средства. В океанах и морях волны и течения, на суше – реки и ледники переносят огромные количества глины, камней и песка. Движущаяся вода, кроме того, служит единственным средством перемещения для многих живых организмов, не обладающих способностью самостоятельно передвигаться на дальние расстояния. Ветер по сравнению с водой более подвижен, более шумлив, но и более «ленив». Он не в состоянии выполнять и тысячной доли той работы, которую выполняет вода. А между тем своей кинетической энергией вода в основном обязана именно ветру – движению атмосферы. Ветер вздымает волны в океане и возбуждает океанские течения, с усилением ветра увеличиваются испарения, ветер уносит на сушу образовавшиеся над морем облака и питает ими реки.

Впрочем, и океан оказывает большое влияние на движение атмосферы. Летом, например, преобладают ветры со стороны относительно холодного океана в сторону нагретой суши, зимой – наоборот.

Над океаном образуются грозные тропические циклоны и воздушные течения.

Круг, таким образом, замыкается. Воздух вызывает движение воды, вода возбуждает движение воздуха. А за этим мощным и непрерывным круговоротом воды, оживляющим нашу планету, стоит величественное Солнце, главный источник энергии и всякого движения на Земле.

9. АСКЕТИЗМ ЖИВОТНЫХ И РАСТЕНИЙ

Для обитателей пустыни жизнь начинается с наступлением темноты. Днем большинство из них спит, зарывшись в песок или укрывшись от палящих лучей солнца среди скал. Суслики в разгар зноя погружаются в летнюю спячку. Крупные млекопитающие в пустынях отличаются поджарым телом, длинными ногами и быстротой бега. Газели, антилопы, джейраны, куланы и другие копытные животные в поисках пищи и воды способны за несколько часов покрывать огромные расстояния. Рябки носят в зобу для своих птенцов по полстакана воды. Глаза, уши, нос у животных защищены от песка. У верблюда, например, такие ресницы, которым может позавидовать любая киноактриса. У сайги широко расставлены и сдвинуты назад ноздри, чтобы при щипании травы в них не попадал песок. Многие животные в пустыне имеют темную окраску, что предохраняет их от ультрафиолетовых лучей; некоторые, например газели, обладают такой защитной окраской, что их не отличишь от песка и камня. Хищники в пустыне пополняют запас влаги в организме кровью своей добычи.

Существуют обитатели пустынь, которые совсем не пьют. Они получают влагу из корней и клубней растений, которые употребляют в пищу, а некоторые отчасти или даже полностью компенсируют расход влаги метаболической водой. Так называют воду, образующуюся внутри организма при обмене веществ, при расщеплении и окислении белков, углеводов (крахмала) и жиров.

Хорошо всем известная ковровая моль живет без воды, в то же время в отложенных ею яичках вода составляет 80 % от их веса.

Тушканчики, которые водятся в Европе и Азии, и американская кенгуровая крыса совершенно не нуждаются в воде не только в природных условиях, но и в неволе. На каждую калорию тепловой энергии, освобождающейся при окислительных процессах, в организме кенгуровой крысы выделяется от 0,09 до 1,3 г метаболической воды. Как и все животные, тушканчики и кенгуровые крысы теряют воду при выдохе и вместе с прочими выделениями тела, но их организм приспособился выделять вдвое меньше воды, чем у других животных такого же размера, например у обыкновенной крысы. Благодаря этому для нормального существования им совершенно достаточно метаболической воды, хотя они, конечно, пользуются и влагой растений. Кстати заметим, что организм человека тоже вырабатывает воду, но не более 0,5 л в сутки.

В Ливийской пустыне среди скал и отмерших кустарников водятся тысячи змей. Эти змеи пьют росу, а выделение влаги у них, как у всех змей, в 10 раз меньше, чем у теплокровных животных. Для человека, оказавшегося в пустыне, содержащаяся в их теле жидкость может заменить воду. Людям в виде опыта при температуре воздуха около 40 град. давали в сутки по 1,5-2,5 л жидкости, извлеченной из тела змеи. Если не считать очень большой слабости, на вторые сутки подвергнутые испытанию чувствовали себя относительно хорошо.

У человека потеря влаги в организме влечет за собой сгущение крови; у верблюда, потерявшего при испытании 50 л влаги, что составило 20 % его веса, количество крови уменьшилось всего на 1 л.

Верблюд теряет влагу главным образом за счет жидкости, содержащейся в тканях и в связках его тела, что, очевидно, не так опасно, как потеря влаги из крови.

У человека, как мы уже знаем, температура в сухой жаркой пустыне поднимается днем только на град., после чего терморегулирующий аппарат организма удерживает ее на одном уровне путем обильного выделения пота. У верблюда в жаркий день температура поднимается от 34 град. утром до 40- град. днем и только после этого начинает работать «водный» аппарат терморегуляции. Безвредный для организма перегрев на 6-7 град. дает возможность верблюду экономнее расходовать влагу. Что же касается запаса воды в верблюжьем желудке, то оказалось, что его нет. При вскрытии в пазухах желудка была обнаружена жидкость, по составу близкая к крови и желудочным сокам. Она имела дурной запах и вкус, но, конечно, в крайнем случае могла пригодиться и для питья. Взамен воды у верблюда в горбах запасен жир, как и у курдючных овец, у которых жир откладывается в хвостах. Этот жир служит одновременно и запасом пищи, и источником метаболической воды.

Приспособились к недостатку воды и растения в пустыне. Годами могут лежать в сухом песке семена. Первый дождь воскрешает их, но большинство из них живут недолго. Это так называемые эфемеры, жизнь их коротка. Кочевники-скотоводы в Сахаре все время меняют свои становища в поисках районов, где выпал случайный дождь и где на несколько недель после этого зацветает высушенная солнцем и, казалось, совершенно мертвая до этого земля.

На пустынном мексиканском плоскогорье растут кактусы. Вот как описывают эти удивительные растения Ильф и Петров: «Целый лес кактусов торчал из песка по обе стороны дороги. Их ветви, такие же толстые, как сам ствол, казались искалеченными в пытке, как бы обрубленными до локтя, растопыренными руками». Человеку, идущему ночью при лунном свете через лес кактусов, кажется, что он окружен чудовищами, которые вот-вот растерзают его своими страшными когтями. Когти-шипы отпугивают от растения животных, которые в ином случае совершенно уничтожили бы эти зеленые бочки с драгоценной в пустыне влагой. Кактус содержит 96 % воды, а благодаря строению своего тела он умеет ее хранить круглый год, несмотря на то, что три четверти года здесь не бывает дождей.

Весной пустыня Карру, как и многие другие пустыни, расцветает. К ней устремляются стада антилоп, полосатых зебр и стаи длинноногих страусов. Откуда же берутся на такой почве и в таком климате растения? Здесь это большей частью многолетние растения – яркие амариллисы, кринумы и другие луковичные. В засушливый период они бережно хранят жизнь в луковицах, скрытых под землей и облаченных кожицей, которая защищает их от жары и потери влаги.

Типичная для всех пустынь растительность – чахлые деревья и сухие кустарники, защищенные от животных иглами. Корни их глубоко протянулись в землю в поисках грунтовой воды и широко раскинулись у самой поверхности, чтобы не пропустить ни одной капли влаги, которую случится обронить на землю заблудившейся тучке.

Аскетизм организмов в пустыне – свидетельство неистощимой способности живой природы приспосабливаться.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В состав организмов входит более половины элементов периодической системы Менделеева, причем около 20 из них являются обязательными и обнаруживаются почти во всех типах клеток.

Клетки сходны не только по строению, но и по химическому составу. Клетки всех живых организмов содержат хотя и неодинаковые, но сходные вещества в близких количествах. Сходство в строении и химическом составе у разных клеток свидетельствует о единстве их происхождения.

Среди других химических веществ живой клетки преобладают органические соединения. Они составляют в среднем 20-30 % массы организма. К ним относятся биологические полимеры – белки, нуклеиновые кислоты и углеводы, а также жиры и ряд небольших молекул – гормонов, пигментов, аминокислот, нуклеотидов, АТФ и др. В различные типы клеток входит неодинаковое количество тех или иных органических соединений. Например, в растительных клетках преобладают сложные углеводы – полисахариды; в животных – больше белков и жиров. Тем не менее, каждая группа органических веществ в любом типе клеток выполняет сходные функции.

Практически все сухое вещество клеток составляют органические соединения, представленные четырьмя основными видами молекул: белками, нуклеиновыми кислотами, полисахаридами и липидами.

На долю белков приходится основная часть живой материи в клетках. Термин «протеин» (белок) происходит от греческого слова proteios, означающего «первый» или «главный». У всех живых организмов белки являются прямыми продуктами гeнов и эффекторами их действия. Многие белки обладают специфической каталитической активностью и функционируют как ферменты. Белки других типов играют роль структурных элементов в клетках и тканях. Ряд белков, присутствующих в мембранах клеток, способствуют транспорту некоторых веществ внутрь клеток и наружу. В осуществлении множества других биологических функций также участвуют белки – пожалуй, наиболее универсальные в этом отношении биомолекулы.

- Нуклеиновые кислоты Особая роль в развитии всего живого принадлежит нуклеиновым кислотам. Нуклеиновые кислоты присутствуют во всем живом и выполняют роль хранилищ генетической информации. Наиболее крупные и необычные молекулы, которые можно обнаружить в живых организмах, – это нуклеиновые кислоты. Они были открыты в ходе активного изучения живой материи, которое велось при помощи химических методов в конце XIX в. Швейцарский биохимик Фридрих Мишер первым обнаружил соединения кислотной природы, связанные с белками клеточного ядра. Он нашел эти соединения в ядрах клеток гноя и в спермиях (мужских половых клетках). Впоследствии Мишер установил, что эти вещества заметно отличаются от белковых и других соединений. Поскольку их обнаружили в клеточных ядрах (ядро – нуклеус), они получили название «нуклеиновые кислоты».

О широком распространении таких соединений в живой природе вначале не знали, однако по мере изучения все новых и новых видов растений, животных и микроорганизмов стало ясно, что все они содержат нуклеиновые кислоты. Все имеющиеся на сегодня экспериментальные сведения говорят о том, что нуклеиновые кислоты являются молекулами, осуществляющими первичный контроль над всеми важнейшими процессами жизнедеятельности во всех организмах. Это позволяет предположить, что нуклеиновые кислоты играли сходную роль и в жизни примитивных форм организмов.

По мере усовершенствования методов анализа, появилась возможность сравнить нуклеиновые кислоты разных организмов. К удивлению химиков и биологов, оказалось, что нуклеиновые кислоты самых разнообразных живых существ (от вирусов до зеленых растений, животных и человека) очень сходны. Из других опытов удалось выяснить, что нуклеиновые кислоты имеются не только в ядре клетки, но и в других ее частях. Термин «нуклеиновые (ядерные) кислоты» все же применяется, хотя он и не совсем точен. Особенности их химического строения обеспечивают возможность хранения, переноса в цитоплазму и передачу по наследству дочерним клеткам информации о структуре белковых молекул, которые синтезируются в каждой клетке.

Белки обуславливают большинство свойств и признаков клеток. Понятно поэтому, что стабильность структуры нуклеиновых кислот – важнейшее условие нормальной жизнедеятельности клеток и организма в целом. Любые изменения строения нуклеиновых кислот влекут за собой изменения структуры клеток. Существует два важнейших типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). РНК отличается от ДНК тем, что в ее состав входит другой тип сахара и основание урацил вместо тимина. ДНК и РНК во всех клетках выполняют одни и те же функции, обеспечивая хранение, передачу и реализацию генетической информации. ДНК служит хранилищем генетической информации, а различные типы РНК способствуют ее реализации в процессе синтеза белков.

Все нуклеиновые кислоты образуются из восьми различных повторяющихся структурных единиц – нуклеотидов; четыре из них играют роль структурных единиц ДНК, а другие четыре используются при построении РНК. Каждый нуклеотид, в свою очередь, состоит из трех более мелких единиц:

1) азотистого основания;

2) пятиуглеродного сахара;

3) фосфорной кислоты.

Словом, все многообразие живых организмов зависит от последовательности размещения в молекуле ДНК четырех структурных единиц – нуклеотидов.

- Полисахариды Полисахаридам присущи важные биологические функции. Крахмал и гликоген используются как временные депо глюкозы. Нерастворимые полимеры углеводов выполняют функции структурных и опорных элементов в клеточных стенках бактерий и растений, а также в соединительной ткани и оболочках клеток животных. Полисахариды других типов служат в качестве смазки в суставах, обеспечивают слипание клеток и придают биологическую специфичность поверхности животных клеток.

Липиды, к которым относятся жиры и жироподобные вещества, во-первых, играют роль основных структурных компонентов мембран и, во-вторых, служат запасной формой богатого энергией «горючего».

4. МАКРОМОЛЕКУЛЫ И ИХ СОСТАВ

Эти четыре наиболее важных класса биомолекул имеют одно общее свойство: все они представляют собой относительно крупные структуры с высокими молекулярными массами и потому называются макромолекулами. Молекулярные массы различных белков лежат в пределах от 5000 до 1 млн. У некоторых нуклеиновых кислот молекулярные массы достигают нескольких миллиардов. Полисахариды, например крахмал, также имеют высокие молекулярные массы порядка миллионов. Размеры отдельных липидных молекул значительно меньше (мол. масса 50 – 1500). Однако обычно липидные молекулы объединяются друг с другом и образуют очень крупные структуры, которые включают тысячи молекул и функционируют, по существу, как макромолекулярные системы (такая система служит, в частности, «основой» клеточных мембран). Таким образом, мы можем отнести подобные липидные структуры к макромолекулам.

Макромолекулы образуются из небольших молекул, играющих роль строительных блоков. Хотя в живых организмах содержится множество различных белков и нуклеиновых кислот, построение этих сложных структур основано на весьма простых принципах. В качестве строительных блоков, из которых состоят все белки и нуклеиновые кислоты, используются простые молекулы; число этих молекул невелико, и они имеют одно и то же строение у всех видов организмов. Молекулы всех белков, представляющие собой длинные цепи, построены всего из 20 разных аминокислот, расположенных в той или иной линейной последовательности. Из одних и тех же строительных блоков разные организмы способны вырабатывать такие разнообразные продукты, как ферменты, гормоны, белок хрусталика глаза, перья, паутина, панцирь черепахи, белки молока, энкефалины (наркотики, вырабатываемые самим организмом), антибиотики, ядовитые вещества грибов и многие другие соединения, наделенные специфической биологической активностью.